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1、第第 十十 三三 章章 光光的的偏偏振振 113 -9 自然光自然光 偏振光偏振光振动方向与传播方向组成的平面振动方向与传播方向组成的平面光矢量光矢量 E 的振动方向对传播方向的不对称性的振动方向对传播方向的不对称性 结论：结论：只有横波才有偏振现象。只有横波才有偏振现象。 偏偏 振：振： 偏振态：偏振态： 振动面：振动面： 光矢量在垂直光传播方向的平面内的振动状态光矢量在垂直光传播方向的平面内的振动状态uOHE光矢量振动面光矢量振动面 2一一、自然光及其特点自然光及其特点没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解 1.1.光矢量具有环绕传播方向的对称性光矢量具有环绕传播方向的对称性，垂
2、直光传播方向的平面内垂直光传播方向的平面内，光振动光振动2.2. 没有优势方向没有优势方向；2. 2. 各方向的光矢量振幅相等；各方向的光矢量振幅相等； 3. 3. 可用一对可用一对独立的独立的、相互垂直的相互垂直的、 振幅相等振幅相等的光矢量表示。的光矢量表示。 自然光的表示方法自然光的表示方法： “ ” “ ” 表示光振动表示光振动纸面；纸面； “ ” “ ” 表示光振动表示光振动纸面。纸面。 3二二、线偏振光线偏振光线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：只含某一个固定振动方向的光。只含某一个固定振动方向的光。 线偏振光的表示方法：线偏振光的表示方法： 简
3、称：简称：偏振光偏振光亦称：亦称：完全偏振光，平面偏振光完全偏振光，平面偏振光E播播传传方方向向振振动动面面4三三、部分偏振光部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光 部分偏振光可分解为两束部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的振动方向相互垂直的、独立的独立的、振幅不等振幅不等的的线偏振光线偏振光。 部分偏振光的表示方法：部分偏振光的表示方法：纸面的光振动较强纸面的光振动较强纸面的光振动较强纸面的光振动较强 某振动方向占优势的光某振动方向占优势的光 5四四、圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光 圆圆 偏偏 振振 光光 光矢量在光矢量在传播方向的平面内传播方向的平面内
4、 椭圆偏振光椭圆偏振光左旋光左旋光 右旋光右旋光 端点的轨迹是端点的轨迹是圆圆的光。的光。 以一以一 定角频率旋转，且光矢量定角频率旋转，且光矢量 光矢量在光矢量在传播方向的平面内传播方向的平面内端点的轨迹是端点的轨迹是椭圆椭圆的光。的光。 以一以一 定角频率旋转，且光矢量定角频率旋转，且光矢量 6五五、获得偏振光的方法获得偏振光的方法 1. 1. 利用晶体的二向色性；利用晶体的二向色性； 二向色性二向色性 吸收一个方向光振动而透过另一个方向光吸收一个方向光振动而透过另一个方向光 振动的特性振动的特性2. 2. 利用自然光在介质表面的反射和折射；利用自然光在介质表面的反射和折射； 3. 3.
5、利用晶体的双折射；利用晶体的双折射； 4. 4. 利用分子散射；利用分子散射； 5. 5. 利用新型激光。利用新型激光。 713-10 偏振光的获得和检测偏振光的获得和检测 (起偏和检偏起偏和检偏) ) 一一、起偏和检偏起偏和检偏 1 1. 起起 偏：偏：使自然光或非偏振光变成线偏振光使自然光或非偏振光变成线偏振光。2 2. 检检 偏：偏：检验入射光的偏振性。检验入射光的偏振性。 利用晶体的二向色性利用晶体的二向色性 4 4. 偏振片的偏振化（透振）方向：偏振片的偏振化（透振）方向： 透过偏振片的光振动方向透过偏振片的光振动方向 3 3. 偏振片：偏振片： 透透振振方方向向自然光自然光偏振片偏
6、振片线偏振光线偏振光制成的透明薄片制成的透明薄片 8光强光强 I I 不变不变 ， 是什么光是什么光 ？ 光强光强 I I 变，有消光变，有消光 是什么光是什么光 ？光强光强 I I 变，无消光变，无消光 是什么光是什么光 ？5. 5. 偏振片的起偏和检偏方法偏振片的起偏和检偏方法 I I? ?待检光待检光 P P 起偏起偏 检偏检偏 偏振片既可作起偏器又可作检偏器。偏振片既可作起偏器又可作检偏器。 9偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化起偏器起偏器 检偏器检偏器 自然光自然光 线偏振光线偏振光 10偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化偏振光通过旋转的检偏器
7、，光强发生变化起偏器起偏器 检偏器检偏器 自然光自然光 线偏振光线偏振光 11偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化起偏器起偏器 检偏器检偏器 自然光自然光 线偏振光线偏振光 12偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化起偏器起偏器 检偏器检偏器 自然光自然光 线偏振光线偏振光 13两偏振片的偏振化方向相互垂直，光强为零两偏振片的偏振化方向相互垂直，光强为零自然光自然光 线偏振光线偏振光 起偏器起偏器 检偏器检偏器 14两个偏振片的偏振化方向相互平行，光强最大两个偏振片的偏振化方向相互平行，光强最大 起偏器起偏器 检偏器检偏器
8、自然光自然光 线偏振光线偏振光 15自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变 检偏器检偏器 自然光自然光 线偏振光线偏振光 16自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变 检偏器检偏器 自然光自然光 线偏振光线偏振光 17自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变 检偏器检偏器 自然光自然光 线偏振光线偏振光 18自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变 检偏器检偏器 自然光自然光 线偏振光线偏振光 19自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变 检偏器检偏器 自然光自然光 线偏振
9、光线偏振光 20自然光通过旋转的检偏器，光强不变自然光通过旋转的检偏器，光强不变 检偏器检偏器 自然光自然光 线偏振光线偏振光 21二二、马吕斯定律马吕斯定律 马吕斯定律马吕斯定律（1809）I I 出射线偏振光强度出射线偏振光强度 I0 入射线偏振光强度入射线偏振光强度 入射偏振光的振动方向与偏振片偏振化方向的夹角入射偏振光的振动方向与偏振片偏振化方向的夹角 (13-71) I IPI0P P（理想情况）（理想情况）22I0I1 I0P1P2I0I2 = ？ I0P1P2P3例：当一束自然光相继通过两个透振例：当一束自然光相继通过两个透振 化方向成化方向成600角的偏振片角的偏振片 p1、p
10、2 时，透射光强为时，透射光强为I1,若在这两个偏振片之间再插入另若在这两个偏振片之间再插入另 一偏振片一偏振片p3,它的透振方向与前两个偏振片均成它的透振方向与前两个偏振片均成300角，则角，则 透过透过p2的光强为多少？的光强为多少？23反射光和折射光的偏振：反射光和折射光的偏振：部分部分偏振光偏振光 反射光：反射光：入射面的成份多于入射面的成份多于成份；成份； 折射光：折射光：入射面的成份少于入射面的成份少于成份。成份。 （随（随 i 变化）变化） 部分部分偏振光偏振光 入射光入射光自然光自然光 折射光折射光 r反射光反射光 24三三、布儒斯特定律布儒斯特定律 (课本课本 p .513)
11、 入射光入射光完全偏振光完全偏振光部分部分偏振光偏振光反射光反射光 折射光折射光 自然光自然光 r0 反射光的偏振化程度与入射角有关反射光的偏振化程度与入射角有关，当入射角等于某一当入射角等于某一特定值特定值 i0 时，时，反射光成为反射光成为完全偏振光。完全偏振光。 25称称 起偏振角起偏振角 或或 布儒斯特角布儒斯特角。 1.1.布儒斯特定律布儒斯特定律 自然光从折射率为自然光从折射率为 n1 的介质射向折射的介质射向折射率为率为 n2 的介质的界面的介质的界面，当入射角当入射角 i 满足满足 成为振动方向成为振动方向入射面的入射面的完全偏振光完全偏振光。 2. 2. 说明：说明： 自然光
12、以自然光以 i0 入射时，折射光仍为部分偏振光；入射时，折射光仍为部分偏振光； （其光振动仍为（其光振动仍为入射面的成份多于入射面的成份多于入射面的成份，入射面的成份， 其强度比反射光更强。）其强度比反射光更强。）(13-69) 时，时， 反射光反射光 26 入射角为入射角为 i0 时，反射光时，反射光折射光；反之，当反射光折射光；反之，当反射光折射光折射光 时，入射角一定是时，入射角一定是 i0 ，反射光一定是完全偏振光。，反射光一定是完全偏振光。 光从真空光从真空 (或空气或空气) 入射到折射率为入射到折射率为 n 的透明介质界面上时的透明介质界面上时， 起偏角起偏角 i0 满足：满足：
13、例：例：玻璃玻璃 n = 1.50 ，27利用玻璃片堆利用玻璃片堆 产生产生线偏振光线偏振光布儒斯特定律的应用布儒斯特定律的应用 ： 1. 1. 反射起偏和检偏反射起偏和检偏 2. 2. 透射起偏透射起偏 i0 接近接近 线偏振光线偏振光玻璃片堆玻璃片堆28四四四四 光的双折射光的双折射光的双折射光的双折射 (课本课本课本课本 p 513 p 513) 1、双折射现象双折射现象 对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可观察到有对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可观察到有 寻常光寻常光 (简称简称 o光光) 非常光非常光 (简称简称 e光光)o 光光和和 e 光光 都是都是线偏振光线偏振光。CA
14、I大学物理学大学物理学V 3.01）. 寻常光和非常光寻常光和非常光 自然光自然光 ir0reO光光 e光光 n2 n1 遵守折射定律遵守折射定律 不遵守折射定律不遵守折射定律 两束折射光的现象。两束折射光的现象。 292 2）. o 光和光和 e 光的特点光的特点 ： o光和光和 e 光都是光都是线偏振光线偏振光； 在各向异性的晶体内，在各向异性的晶体内，o光沿各方向的传播速度相等光沿各方向的传播速度相等，e 光沿各方向的传播速度不同。光沿各方向的传播速度不同。 结论：结论： o光在入射面内，光在入射面内， e 光一般不在入射面内，光一般不在入射面内， i = 0 时，时，r 可不为可不为
15、0 。 i = 0 时时，r = 0 。 常量，常量， 常量，常量， 30光光光光当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面 方解石方解石 晶体晶体31光光光光双双折折射射纸面纸面 方解石方解石 晶体晶体当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转32光光光光双双折折射射纸面纸面 方解石方解石 晶体晶体当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o光不动，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转33光光光光双双折折射射纸面纸面 方解石方解石 晶体晶体当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o光不动
16、，光不动，e光围绕光围绕o光旋转光旋转342、光轴光轴 主平面主平面AB光轴光轴1021 1）. 光轴光轴 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴光轴。例：例：方解石方解石（CaCO3） 2 2）. 光轴的特点：光轴的特点： 光轴是一特殊的光轴是一特殊的“方向方向”，不是一条直线不是一条直线，凡平行于此凡平行于此 方向的直线均为光轴。方向的直线均为光轴。 沿光轴方向沿光轴方向 v e = = v o 。 353 3）. . 单轴晶体和双轴晶体单轴晶体和双轴晶体 单轴晶体单轴晶体 只有一个光轴方向的晶体只有
17、一个光轴方向的晶体 双轴晶体双轴晶体 有两个光轴方向的晶体有两个光轴方向的晶体 例：例： 方解石方解石，石英石英，冰，冰 例：例： 云母云母， 硫磺，硫磺， 蓝宝石蓝宝石 4 4）. . 主截面主截面 光轴与晶面法线构成的平面光轴与晶面法线构成的平面 36 o 光的振动面光的振动面于于 o 光的主平面，光的主平面， e 光的振动面光的振动面于于 e 光的主平面；光的主平面；e光光光轴光轴 e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴 o光的光的主平面主平面 当光轴方向当光轴方向入射面时入射面时，o 光主平面与光主平面与e 光主平面重合。光主平面重合。 5 5）. 主平面主平面 晶体中的光线与光轴构成的
18、平面晶体中的光线与光轴构成的平面37o 光的子波波面是光的子波波面是球面球面；3、单轴晶体中单轴晶体中 o 光和光和 e 光的子波波面光的子波波面1 1）. . o 光和光和 e 光在晶体内形成的子波波面光在晶体内形成的子波波面 e 光的子波波面是光的子波波面是椭球面椭球面。光轴光轴 v e t e光波面光波面 由于沿光轴方向由于沿光轴方向 e 光和光和 o 光的速率相等，所以两种光的速率相等，所以两种波面在光轴方向相切。波面在光轴方向相切。v o t 光轴光轴 o光波面光波面 38e 光与光与 o 光的速率在光的速率在光轴的方向上相差最大。光轴的方向上相差最大。子波源子波源 v o tv e
19、 t 光轴光轴正正晶晶体体 2 2）. 正晶体和负晶体正晶体和负晶体 正晶体正晶体： 负晶体负晶体： 例：石例：石 英英 例：方解石例：方解石 v e t光轴光轴 负负晶晶体体子波源子波源v o t 椭球面在球面内椭球面在球面内 椭球面在球面外椭球面在球面外 或或的晶体的晶体 或或的晶体的晶体 39以负晶体方解石为例以负晶体方解石为例 光轴光轴晶体表面，晶体表面， 自然光自然光入射：入射： 光轴光轴晶体表面且晶体表面且入射面，入射面， 自然光自然光斜斜入射：入射：3 3）. . 惠更斯原理对双折射现象的解释惠更斯原理对双折射现象的解释 光轴光轴oo ee 光光轴轴r oo o ereeii40
20、 光轴与晶体表面光轴与晶体表面斜交斜交，自然光，自然光入射：入射：此时此时e 光波面不与波线垂直光波面不与波线垂直且且 i = 0， r o = 0， re 0 光光轴轴eeoo方解石方解石光光轴轴o eCAI大学物理学大学物理学V 3.041尼科耳棱镜尼科耳棱镜 既可作既可作起偏器起偏器，又可作，又可作检偏器检偏器。 4 4、尼科耳棱镜尼科耳棱镜CAI大学物理学大学物理学V 3.0偏振光偏振光加拿大树胶加拿大树胶 n = 1.55 对对e光：光：nen，加拿大树胶为光疏介质，不能通过。，加拿大树胶为光疏介质，不能通过。425、四分之一波片和二分之一波片四分之一波片和二分之一波片 1 1）.
21、波片波片 厚度均匀且光轴厚度均匀且光轴表面的晶体薄片表面的晶体薄片 2 2）. 波片的特点波片的特点 光轴光轴波片表面；波片表面； 厚度厚度 d 满足一定的关系。满足一定的关系。 主截面主截面波片表面；波片表面； 一般用一般用 CaCO3 制成制成 光光轴轴 入射光入射光主截面主截面43O O光光 e光光振动方向与光轴方向的夹角为振动方向与光轴方向的夹角为 的线偏振光进入波片时的线偏振光进入波片时， 分解为相位相同的分解为相位相同的 O 光光、e 光光，二者传播方相相同但传播速度二者传播方相相同但传播速度 不同不同，传播距离传播距离 d ，从波片出射时产生了光程差和相位差。从波片出射时产生了光
22、程差和相位差。 光光轴轴 主平面主平面入射光入射光e光光 O光光 主平面主平面443 3）. . 线偏振光透过波片时线偏振光透过波片时o 、e 光的光程差和相位差：光的光程差和相位差： 光程差：光程差：相位差：相位差： 4 4）. . 四分之一波片四分之一波片 满足满足 的波片的波片45(1) 偏振光通过偏振光通过 /4 波片射出的偏振态由入射偏振光的振动方向波片射出的偏振态由入射偏振光的振动方向 与波片光轴的夹角与波片光轴的夹角 确定。确定。 当当 = 0 或或 90 时，出射光时，出射光为为 线偏振光线偏振光；当；当 = 45 时，出射光为时，出射光为圆偏振光圆偏振光； 为其他值为其他值
23、时，出射光为时，出射光为椭圆偏振光椭圆偏振光。 /4 波片的特点：波片的特点： (3) /4 波片的最小厚度满足：波片的最小厚度满足： (2) 椭圆或圆偏振光经椭圆或圆偏振光经 /4 波片后，可变为线偏振光。波片后，可变为线偏振光。 465 5）. . 二分之一波片二分之一波片 满足满足 的波片。的波片。 / 2 波片的特点：波片的特点： (1) 一束线偏振光通过一束线偏振光通过/ 2 波片后，波片后， 转过转过 2 角。角。 出射光仍为线偏振光，振动方向出射光仍为线偏振光，振动方向 E o入入E入入 E出出E e入入= E e出出光轴光轴E o出出 476 6）. 说明：说明： /4 波片和
24、波片和 / 2 波片是对给定波长波片是对给定波长的光而言；的光而言； 自然光经过波片出射后仍为自然光；自然光经过波片出射后仍为自然光； 入射线偏振光振动方向平行或垂直波片光轴（即入射线偏振光振动方向平行或垂直波片光轴（即 ）出射光仍为原振动方向的线偏振光。）出射光仍为原振动方向的线偏振光。 （自然光进入波片时分成的（自然光进入波片时分成的 o、e 光无固定的相位差）光无固定的相位差） (2) / 2 波片的最小厚度满足：波片的最小厚度满足： 487 7）. . 波片的应用波片的应用 / /4 4 波片可改变偏振光的偏振性质，使线偏振光变为圆波片可改变偏振光的偏振性质，使线偏振光变为圆 或椭圆偏
25、振光等，亦可鉴别自然光或椭圆偏振光等，亦可鉴别自然光、圆或椭圆偏振光；圆或椭圆偏振光； / / 2 波片不改变偏振光性质，改变其振动方向；波片不改变偏振光性质，改变其振动方向； 用于偏振光的干涉等。用于偏振光的干涉等。 例：例： 光强光强 不变不变 /4/4 波片波片 偏振片偏振片 光强光强变化变化 /4/4 波片波片 偏振片偏振片 49波波 动动 光光 学学 习习 题题 课课 一一、基本概念和规律基本概念和规律 1. 杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉 明纹明纹 暗纹暗纹 相邻条纹间距：相邻条纹间距： 2. 薄膜干涉薄膜干涉 加强加强 减弱减弱 503. 入射光垂直照射空气中的介质薄膜入射光垂直照射空
26、气中的介质薄膜 ( ） 加强加强 减弱减弱 暗纹暗纹 明纹明纹 4. 辟尖干涉辟尖干涉 相邻明相邻明(或暗或暗)纹对应的膜厚之差纹对应的膜厚之差 相邻条纹间距相邻条纹间距 (空气劈尖：各式中空气劈尖：各式中 ) 515. 牛顿环半径牛顿环半径 明环明环 暗环暗环 6. 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 7. 单缝衍射单缝衍射 暗纹暗纹 明纹明纹 中央明纹宽度中央明纹宽度 各级暗纹到屏中央的距离各级暗纹到屏中央的距离 528. . 光学仪器分辨率光学仪器分辨率 e 和最小分辨角和最小分辨角 ：9. 光栅衍射光栅衍射 垂直入射：垂直入射： 斜斜 入入 射射: 缺缺 级：级： 10. X射线衍射的布喇格公式射线衍射的布喇格公式 11. 马吕斯定律马吕斯定律 12. 布儒斯特定律布儒斯特定律 5313. 双折射、双折射、o光、光、e光、光轴光、光轴 14. 波片波片 / 2 波片波片 / 4 波片波片 作用：作用： 可改变偏振光的偏振性质，使线偏振光变为圆或椭圆可改变偏振光的偏振性质，使线偏振光变为圆或椭圆 偏振光等偏振光等，亦可鉴别自然光亦可鉴别自然光、圆或椭圆偏振光。圆或椭圆偏振光。作用：作用： 不改变偏振光性质不改变偏振光性质，改变其振动方向。改变其振动方向。 二二、课堂例题课堂例题 54
